برآورد ضرایب انتشار طولی رسوبات معلق درون محیط‌های متخلخل درشت‌دانه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیئت علمی-دانشگاه مراغه

2 دانشیار-گروه مهندسی آبیاری و آبادانی دانشگاه تهران

3 استادیار گروه خاکشناسی دانشگاه یاسوج

چکیده

چکیده:
سابقه و هدف: به دلیل اینکه رواناب خروجی از حوضه‌های آبریز همواره شامل مقدار زیادی از رسوبات ریزدانه و معلق می‌باشد کارایی سدهای سنگریزه‌ای که از مصالح سنگی درشت‌دانه ساخته می‌شوند برای تنظیم سیلاب‌های عبوری به مرور زمان و به دلیل ترسیب ذرات رسوبی در منافذ درشت‌دانه بدنه سد کاهش می یابد. به دلیل اینکه بخشی از سازه‌های ساخته شده با استفاده از مصالح سنگی درشت‌دانه جریان‌های حاوی رسوبات معلق را از خود عبور می‌دهند لذا فرایند ردیابی این نوع جریان‌ها از درون محیط‌های متخلخل مورد توجه قرار گرفته است. بررسی فرایند انتقال و انتشار رسوبات معلق از درون محیط‌های درشت‌دانه معمولاً با استفاده منحنی‌های رخنه انجام می‌گردد. این فرایند بیشتر برای آلودگی‌ها و در رودخانه‌ها، مجاری فاضلاب‌رو و محیط‌های متخلخل ریزدانه متداول بوده و محققان قبلی از تکنیک‌های زیادی از جمله حل تحلیلی، تکنیک تخمین پارامتر و روش‌های عددی برای مسائل فوق الذکر استفاده نموده‌اند ولی هنوز در رابطه با رسوبات معلق تحقیقات متقنی انجام نشده است. منحنی‌های رخنه خروجی از محیط متخلخل در بسیاری از مواقع متقارن نبوده و دارای چولگی می‌باشد لذا تعدادی از محققان پس از برداشت داده‌های صحرائی پی به این مساله برده و مدل جدید‌تری را تحت عنوان مدل ذخیره موقت ارائه نمودند. بعضی از محققان با در نظر گرفتن مساله عدم تقارن در منحنی‌های رخنه خروجی اقدام به ترکیب رابطه مرتبه اول تبادل جرم با معادلات انتقال و انتشار نموده و با اعمال شرایط اولیه و مرزی متنوع حل‌های تحلیلی خاصی را استخراج نموده‌اند. نکته مهم در این خصوص این است که در شرایط مشابهی از شرایط اولیه و مرزی می‌بایستی اقدام به استفاده از حل‌های تحلیلی نمود. به همین دلیل در بسیاری از موارد محققان اقدام به استفاده از روش‌های گشتاور‌های زمانی و مکانی بر اساس داده‌های آزمایشگاهی برداشت شده می‌نمایند. با تاکید بر موارد اشاره شده و نیز با توجه به اینکه تاکنون تحقیقات آزمایشگاهی منسجم و کاملی در زمینه مطالعه رفتار رسوبات معلق درون محیط‌های متخلخل درشت دانه انجام نشده است در این پزوهش در این زمینه تمرکز گردید.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش با ساخت نمونه‌ آزمایشگاهی از محیط‌ متخلخل درشت‌دانه و استفاده از رسوبات ریز‌دانه در محدوده بار معلق سعی شد تا یک سری داده آزمایشگاهی به منظور ردیابی فرایند انتقال و انتشار طولی رسوبات معلق برداشت شود. در این پژوهش با انتخاب دو قطر سنگدانه، چهار دبی درون‌گذر، و با اعمال گرادیان‌های متفاوت بر روی محیط، منحنی‌های رخنه رسوبات معلق خروجی از بدنه سازه‌های سنگریزه‌ای استخراج گردید. روش استخراج منحنی‌های رخنه به صورت برداشت نمونه آب از انتهای محیط بوده و پس از رد نمودن از کاغذ صافی و خشک کردن رسوبات، منحنی‌های غلظت زمان استخراج گردید. همچنین با استفاده از تکنیک تخمین پارامتر برای معادله کلاسیک انتقال-انتشار و نیز روش گشتاورگیری زمانی ضریب انتشار طولی رسوبات معلق استخراج شد.
یافته‌ها: نتایج بدست آمده نشان داد که به دلیل ویژگی‌های ذاتی منحنی رخنه خروجی از درون بدنه سنگدانه‌ای، روش گشتاورگیری زمانی دارای دقت بهتری نسبت به معادله کلاسیک انتقال-انتشار بوده و همچنین با استفاده از روش پارامتر‌های ابعادی یک رابطه برای تخمین ضریب انتشار طولی بدست آمد که متوسط خطای نسبی آن برای تخمین ضریب انتشار 30 درصد می‌باشد و این مقدار در تحقیقات رسوبی قابل اطمینان می‌باشد. نتایج مربوط به آنالیز منحنی‌های رخنه خروجی از محیط متخلخل نیز نشان داد که منحنی‌های رخنه خروجی از محیط دارای دو بال صعودی و نزولی نامتقارن بوده که این به دلیل ذخیره موقت رسوبات درون محیط متخلخل درشت‌دانه می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Estimation of longitudinal dispersion coefficient of suspended sediments through the large porous Medias

نویسندگان [English]

  • Jafar Chabokpour 1
  • Ebrahim Amiri Tokaldany 2
  • Mohammad Sedghi Asl 3
1 University of Maragheh
2 Irrigation and reclamation department of University of Tehran
3 University of Yasouj
چکیده [English]

Abstract
Background and objectives: Applicability of rockfill dams which has been made from large rock materials for purpose of flood detention reduces over the time because of siltation of pore system with sediment contained basin outflow. Since some of structures which were built with large rock materials should convey suspended sediment contained flows therefore routing process of these type flows have been investigated. The investigation around advection and dispersion of sediments particles through the large porous media usually is being done with breakthrough curve. This investigation is usually common for pollutants in rivers, sewer system and fine porous media. Previous researchers used from various techniques like numerical solving, parameter estimation and exact solution for solving of above mentioned problems. But unfortunately any general inquiry about suspended sediments was not accomplished yet. The exit breakthrough curves in many cases are asymmetrical and have Skewness in their falling limbs. Therefore some researchers after collecting the series of field data have discovered it and have presented a new model named transient storage model. Some investigators by considering Asymmetry in exit breakthrough curve have joined first order mass transfer equation with ADE equations and have extracted exact solutions with various primary and boundary conditions. The important criterion in this regard is to use them in similar primary and boundary conditions. Therefore in many cases the investigators are using from temporal and spatial moment technique according to experimental data series. By emphasis to above mentioned criteria and as regards to this fact that any coherent research in the investigation of behavior of suspended sediments through the large porous media were not accomplished yet therefore in this research tried to focus on it.
Materials and Methods: In this research by creating a laboratory model of large porous media and employing suspended sediment particles, tried to acquire an experimental data series in order to investigate longitudinal convection and dispersion phenomenon of suspended sediments through the large porous media. In this investigation by application of 2 media diameters, 4 inflow discharges and different hydraulic gradients over the media, the breakthrough curves of suspended sediments were extracted. The BC curves were extracted with water sampling from media end and then the samples have been passed from filter paper and dried. The concentration-time graphs were extracted after weighting of dried sediment particles. Also by using of parameter estimation technique for classical advection dispersion equation and temporal moments method, the longitudinal dispersion coefficients were extracted.
Results: The results showed that due to the inherent properties of exit breakthrough curve, the temporal moments method has a better estimation accuracy rather than classical advection dispersion equation. Additionally by dimensional analysis method a relationship has been acquired for estimation of longitudinal dispersion coefficient with average relative error of 30% which is reliable in sediment transport studies. Furthermore, the results of analysis of BC curves exhibited that the curve has an Asymmetric limbs in rising and falling stages which this observation is because of temporary storage of sediments and gradual release of them through the downstream flow.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Rockfill materials
  • suspended sediments
  • longitudinal dispersion coefficient
  • classical advection-dispersion equation
  • temporal moments